土力学土的压缩与固结演示.pptx
5.1 概述5.2 土的压缩性与压缩性指标5.3 应力历史对土的压缩性的影响5.4 地基最终变形量计算5.5 土的单向固结理论5土的压缩与固结第1页/共80页工程实例5土的压缩与固结问题：沉降2.2米，且左右两部分存在明显的沉降差。左侧建筑物于1969年加固。墨西哥某宫殿左部：1709年；右部：1622年；地基：20多米厚的粘土5.1 概述第2页/共80页Kiss由于沉降相互影响，两栋相邻的建筑物上部接触第3页/共80页基坑开挖，引起阳台裂缝第4页/共80页修建新建筑物：引起原有建筑物开裂第5页/共80页高层建筑物由于不均匀沉降而被爆破拆除第6页/共80页建筑物立面高差过大第7页/共80页建筑物过长：长高比7.6:1第8页/共80页土具有压缩性荷载作用地基发生沉降荷载大小土的压缩特性地基厚度一致沉降（沉降量）差异沉降（沉降差）建筑物上部结构产生附加应力影响结构物的安全和正常使用概述土的特点（碎散、三相）沉降具有时间效应沉降速率5土的压缩与固结第9页/共80页压缩性测试最终沉降量一维压缩一维固结沉降速率三维固结修正复杂条件下的计算公式简化条件主线、重点：一维问题！5.2 土的压缩性与压缩性指标5.4 地基最终变形量计算5.5 土的单向固结理论室内试验室内试验室外试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等荷载试验、旁压试验等5.3 应力历史对土的压缩性的影响较复杂应力状态？5土的压缩与固结5.1 概述第10页/共80页5.1 概述5.2 土的压缩性与压缩性指标5.3 应力历史对土的压缩性的影响5.4 地基最终变形量计算5.5 土的单向固结理论5土的压缩与固结第11页/共80页5.2 土的压缩性与压缩性指标一、土的压缩试验水槽内环环刀透水石试样传压板百分表施加荷载，静置至变形稳定逐级加大荷载测定：轴向应力轴向变形试验结果：5土的压缩与固结第12页/共80页5.2土的压缩性与压缩性指标二、e-p曲线01002003004000.60.70.80.91.0e5土的压缩与固结P(kPa)第13页/共80页01002003004000.60.70.80.91.0e压缩系数，kPa-1，MPa-11e0侧限压缩模量,kPa,MPa侧限变形模量固体颗粒孔隙体积压缩系数，kPa-1，MPa-15土的压缩与固结5.2土的压缩性与压缩性指标二、e-p曲线P(kPa)pp第14页/共80页压缩系数，kPa-1a1-2常用作比较土的压缩性大小土的类别土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土高压缩性土0.5中压缩性土中压缩性土0.1-0.5低压缩性土低压缩性土0.15土的压缩与固结5.2土的压缩性与压缩性指标二、e-p曲线01002003004000.60.70.80.91.0eP(kPa)p第15页/共80页单向压缩试验的各种参数的关系指标指标指标指标amvEsa1mv(1+e0)(1+e0)/Esmva/(1+e0)11/EsEs(1+e0)/a1/mv15土的压缩与固结5.2土的压缩性与压缩性指标二、e-p曲线第16页/共80页三、e-lgp曲线10010000.60.70.80.9eCc11Ce压缩指数Ce回弹指数（再压缩指数）Ce p0：超固结土pc1：超固结OCR pc)：pc5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算lgplgp第29页/共80页以公式 为例 确定：测定：e-p曲线或者e-lgp曲线 查定：算定：3、计算步骤一、单一土层一维压缩问题侧限条件Hz=ppH/2H/2,e15土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算ee1e2p1p2pp第30页/共80页1、基本假定和基本原理理论上不够完备，缺乏统一理论；单向压缩分层总和法是一个半径验性方法。二、地基最终沉降量分层总和法（a）假设基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）将地基分成若干层，认为整个地基的最终沉降量 为各层沉降量之和：5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算第31页/共80页2、计算步骤情况1不考虑地基回弹的情形：沉降量从原基底算起；适用于基础底面积小，埋深浅，施工快。考虑地基回弹的情形：沉降量从回弹后的基底算起；基础底面大，埋深大，施工期长。情况2d地面基底已知：地基各土层的压缩曲线 原状土压缩曲线5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第32页/共80页d地面基底2、计算步骤情况1(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0pp0dp0=p-d(c)确定地基中附加应力z分布自重应力附加应力(d)确定计算深度zn 一般土层：z=0.2 sz；软粘土层：z=0.1 sz；一般房屋基础：Zn=B(2.5-0.4lnB)；基岩或不可压缩土层。沉降计算深度sz从地面算起；z从基底算起；z是由基底附加应力 p-d 引起的5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第33页/共80页2、计算步骤情况1(a)计算原地基中自重应力分布(b)基底附加压力p0(c)确定地基中附加应力z分布(d)确定计算深度znd地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度(e)地基分层Hi不同土层界面；地下水位线；每层厚度不宜0.4B或4m；z 变化明显的土层，适当取小。(g)各层沉降量叠加Si(f)计算每层沉降量SisziziHi5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第34页/共80页d地面基底2、计算步骤情况2(a)计算原地基中自重应力分布(b)计算开挖后地基中自重应力分布(c)确定地基中附加应力z分布pszizi下同情况1自重应力附加应力5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第35页/共80页3、计算公式（a）e-p曲线d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度sziziHi5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法ee1ie2iszip2izip第36页/共80页3、计算公式（a）e-p曲线0zi0z(i-1)Ai附加应力p0规范法zi-1zi平均附加应力系数5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第37页/共80页正常固结土（b）用e-lgp曲线计算3、计算公式d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度sziziHi5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第38页/共80页3、计算公式d地面基底pp0d自重应力附加应力沉降计算深度sziziHi超固结土（b）用e-lgp曲线计算5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法pilgp第39页/共80页考虑地基回弹的沉降量计算条件：正常固结土，e-lgp曲线基面面积大，埋深大，施工期长i层地基的沉降量Si=再压缩沉降量 S1i+压缩沉降量S2i3、计算公式 类似于超固结土的计算；式中采用开挖前地基的天然孔隙比e1i，无论是回弹、再压缩或压缩，均是相对于开挖前的拟定基底高程而言。三者的基准点均是e1i 状态时的Hi。d地面基底pszizi自重应力附加应力5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第40页/共80页3、计算公式d地面基底pszizi自重应力附加应力5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法lgp第41页/共80页各种假定导致 S 的误差，如：取中点下附加应力值，使 S 偏大;侧限压缩使计算值偏小；地基不均匀性导致的误差等。软粘土（应力集中）S偏小,s1 硬粘土（应力扩散）S偏大,s1沉降经验修正系数4、结果修正n基底压力线性分布假设n弹性附加应力计算n单向压缩的假设n只计主固结沉降n原状土现场取样的扰动n参数线性的假设n按中点下附加应力计算5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第42页/共80页基底附加应力基底附加应力2.54.07.015.020.0 p0 fk1.41.31.00.40.2 p0 0.75 fk1.11.00.70.40.2沉降计算经验系数s4、结果修正0zi0z(i-1)Ai附加应力p0s=1.4-0.2,(1)与土质软硬有关,(2)与基底附加应力p0/fk的大小有关fk：地基承载力标准值5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第43页/共80页要点小结：要点小结：准备资料 应力分布 沉降计算建筑基础（形状、大小、重量、埋深）地基各土层的压缩曲线 原状土压缩曲线计算断面和计算点确定计算深度确定分层界面计算各土层的szi，zi计算各层沉降量地基总沉降量自重应力基底压力基底附加应力附加应力 结果修正5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算二、地基最终沉降量分层总和法第44页/共80页三.地基沉降计算的若干问题4.3 地基的最终沉降量计算3、单向分层总和法的评价2、砂性土地基的沉降计算1、粘土地基的沉降量计算5土的压缩与固结5.4 地基最终变形量计算第45页/共80页1、粘土地基的沉降量计算研究表明：粘性土地基在基底压力作用下的沉降量S由三种不同的原因引起：次固结沉降 Ss主固结沉降完成以后，在有效应力不变条件下，由于土骨架的蠕变特性引起的变形。这种变形的速率与孔压消散的速率无关，取决于土的蠕变性质，既包括剪应变，又包括体应变。初始沉降(瞬时沉降)Sd 有限范围的外荷载作用下地基由于发生侧向位移(即剪切变形)引起的。主固结沉降(渗流固结沉降)Sc 由于超孔隙水压力逐渐向有效应力转化而发生的土渗透固结变形引起的。是地基变形的主要部分。5.4 地基最终沉降量计算三.地基沉降计算的若干问题tSSi：初始瞬时沉降Ss:次固结沉降Sc：主固结沉降5土的压缩与固结第46页/共80页2、砂性土地基的沉降计算原位试验砂性土地基的沉降速率比较快，大部分沉降在施工期间便完成，运用期沉降量一般不会很大。难以取到有代表性的土样标准贯入试验 静力触探试验 载荷板试验 Schmertman（薛迈脱曼）建议的简易算法 基于经验公式的估算方法办法：特点：问题：原位冻结取样 单向分层总和法 S S S5土的压缩与固结5.4 地基最终沉降量计算三.地基沉降计算的若干问题第47页/共80页3、单向分层总和法的评价可计算成层地基；可计算不同形状基础（条、矩、圆）不同分布的基底压力；参数的试验测定方法简单；已经积累了几十年应用的经验，适当修正。（1）基本假定：（2）优 点：（a）假设基底压力为线性分布（b）附加应力用弹性理论计算（c）只发生单向沉降：侧限应力状态（d）只计算固结沉降，不计瞬时沉降和次固结沉降（e）整个地基的最终沉降量为各层沉降量之和5土的压缩与固结5.4 地基最终沉降量计算三.地基沉降计算的若干问题第48页/共80页西方 可判定原状土压缩曲线 区分不同固结状态 计算结果偏大相差比较大 修正靠经验（3）精度：（4）e-p曲线与e-lgp曲线的对比：原苏联 无法确定现场土压缩曲线 不区分不同固结状态 计算结果偏小e-e-lg均需修正3、单向分层总和法的评价5土的压缩与固结5.4 地基最终沉降量计算三.地基沉降计算的若干问题第49页/共80页5.1 概述5.2 土的压缩性与压缩性指标5.3 应力历史对土的压缩性的影响5.4 地基最终变形量计算5.5 土的单向固结理论5土的压缩与固结第50页/共80页重点：一维渗流固结沉降与时间之间的关系：饱和土层的渗流固结固结沉降的速度？固结沉降的程度？问题：5.5 土的单向固结理论不可压缩层可压缩层p5土的压缩与固结第51页/共80页5.5 土的单向固结理论一、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）二、固结度的计算四、固结系数的测定五、多维渗流固结理论简介三、有关沉降时间的工程问题5土的压缩与固结第52页/共80页 实践背景：大面积均布荷载p不透水岩层饱和压缩层z=pp侧限应力状态一、一维渗流固结理论（Terzaghi渗流固结理论）5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第53页/共80页 1、物理模型ppp附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0渗流固结过程附加应力:z=p超静孔压:u 0附加应力:z=p超静孔压:u=0有效应力:z=p一、一维渗流固结理论5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第54页/共80页2、数学模型一、一维渗流固结理论土层均匀且完全饱和；土颗粒与水不可压缩；变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）；荷载均布且一次施加；假定z=const渗流符合达西定律且渗透系数保持不变；压缩系数a是常数。基本假定：求解思路：总应力已知有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第55页/共80页建立方程：微小单元（11dz）微小时段（dt）2、数学模型一、一维渗流固结理论孔隙体积的变化流出的水量土的压缩特性有效应力原理达西定律超静孔隙水压力的时空分布超静孔隙水压力超静孔隙水压力土骨架的体积变化不透水岩层饱和压缩层z5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第56页/共80页建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论固体体积：孔隙体积：dt时段内：孔隙体积的变化流出的水量5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第57页/共80页建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论dt时段内：孔隙体积的变化流出的水量土的压缩性：有效应力原理：达西定律:孔隙体积的变化土骨架的体积变化5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第58页/共80页Cv 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢固结速度；Cv 与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；（cm2/s；m2/year）固结系数建立方程：2、数学模型一、一维渗流固结理论5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第59页/共80页 线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。方程求解：2、数学模型一、一维渗流固结理论（1）求解思路：5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第60页/共80页不透水岩层饱和压缩层z=pp0 z H:u=pz=0:u=0z=H:uz 0 z H:u=0（2）边界、初始条件：方程求解：2、数学模型一、一维渗流固结理论z5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第61页/共80页(3)微分方程的解时间因数m1，3，5，7方程求解：2、数学模型一、一维渗流固结理论0 z H:u=pz=0:u=0z=H:uz 0 z H:u=0基本微分方程：初始边界条件：微分方程的解：反映孔隙水压力的消散程度固结程度5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第62页/共80页H单面排水时孔隙水压力分布双面排水时孔隙水压力分布zz排水面不透水层排水面排水面HH渗流渗流渗流Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=Tv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=u0=pu0=p(3)微分方程的解方程求解：2、数学模型一、一维渗流固结理论时间因数m1，3，5，75土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第63页/共80页二、固结度的计算 一点M：地 层：一层土的平均固结度Uz,t=01：表征总应力中有效应力所占比例1、基本概念M5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第64页/共80页2、平均固结度Ut与沉降量St之间的关系t时刻：确定St的关键是确定Ut 确定Ut的核心问题是确定uz.t在时间t的沉降与最终沉降量之比二、固结度的计算5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第65页/共80页3.地基沉降过程计算1)基本计算方法均布荷载，单向排水情况确定地基的平均固结度Ut已知解得近似简化图表 P147，图4-29，曲线二、固结度的计算Tv反映固结程度5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第66页/共80页二、固结度的计算不透水边界透水边界渗流1235土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第67页/共80页（1）压缩应力分布不同时2)常见计算条件实践背景：H小，p大自重应力附加应力自重应力附加应力压缩土层底面的附加应力还不接近零情况2、3：解析公式（4-59）和（4-60）图表：图4-29情况4、5：叠加原理，公式（4-61）（4-63）计算公式：应力分布：12534基本情况：3.地基沉降过程计算二、固结度的计算不透水边界透水边界5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第68页/共80页2)常见计算条件（2）双面排水时无论哪种情况，均按情况1计算；压缩土层深度H取1/2值二、固结度的计算3.地基沉降过程计算透水边界应力分布：12534基本情况：透水边界H5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第69页/共80页三、有关沉降时间的工程问题三、有关沉降时间的工程问题1 1、求某一时刻、求某一时刻t t的固结度与沉降量的固结度与沉降量2 2、求达到某一固结度所需要的时间、求达到某一固结度所需要的时间3 3、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以后的后的 沉降时间关系沉降时间关系5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第70页/共80页1 1、求某一时刻、求某一时刻t t的固结度与沉降的固结度与沉降量量tTv=Cvt/H2St=Ut S三、有关沉降时间的工程问题5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第71页/共80页2 2、求达到某一沉降量、求达到某一沉降量(固结度固结度)所需要的时间所需要的时间Ut=St/S从 Ut 查表（计算）确定 Tv 5土的压缩与固结三、有关沉降时间的工程问题5.5 土的单向固结理论第72页/共80页3 3、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以后的、根据前一阶段测定的沉降时间曲线，推算以后的沉降时间关系沉降时间关系对于各种初始应力分布，固结度均可写成：对于各种初始应力分布，固结度均可写成：已知：t1S1t2S2公式计算，计算t3S35土的压缩与固结三、有关沉降时间的工程问题5.5 土的单向固结理论第73页/共80页四、固结系数确定方法固结系数 Cv反映固结速度的指标,Cv 越大，固结越快。确定方法有四种：方法一：直接计算法压缩试验 a渗透试验 kk与a均是变化的但Cv变化不很大精度较低5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第74页/共80页方法二：直接测量法l 压缩试验 S-t曲线l 由理论公式，H取试样厚度的一半；缺点缺点：由于次固结，S不易确定四、固结系数确定方法5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第75页/共80页四、固结系数确定方法n当U60%时二者差别逐渐加大(2)试验结果表明：(1)方法三：时间平方根法经验方法5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论第76页/共80页四、固结系数确定方法方法三：时间平方根法经验方法OSS90S0=0OA(e)Cv=0.848H2/t90(a)消除瞬时沉降，确定原点0(b)试验曲线的直线段，表示为：(c)做直线与试验曲线交于点A(d)点A对应于横坐标 (Tv=0.848)5土的压缩与固结5.5 土的单向固结理论方法四：时间对数法经验方法五、多维渗流固结理论简介自学第77页/共80页小结压缩性及测试最终沉降量一维压缩一维固结沉降速率三维固结修正复杂条件下的计算公式主线、重点：一维问题！室内试验室内试验室外试验室外试验侧限压缩、三轴压缩等侧限压缩、三轴压缩等荷载试验、旁压试验等荷载试验、旁压试验等5土的压缩与固结第78页/共80页土的压缩性与压缩性指标一、土的压缩试验二、e-p曲线三、e-lgp曲线应力历史对土的压缩性的影响一、先期固结压力二、先期固结压力的确定三、原位压缩曲线及再压缩曲线一、单一土层一维压缩问题二、地基最终沉降量分层总和法三、地基沉降计算的若干问题地基最终变形量计算一、一维渗流固结理论二、固结度的计算三、有关沉降时间的工程问题四、固结系数的测定五、多维渗流固结理论简介土的单向固结理论小结5土的压缩与固结第79页/共80页感谢您的观看！第80页/共80页
